GÉNIE ÉNERGÉTIQUE - Dunod · 2020. 8. 8. · VI Table des matières 3.3 Transfert d’énergie 33 3.4 Stockage et transport d’énergie 35 3.5 Retour sur les usages de l’énergie

GÉNIE ÉNERGÉTIQUE

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Michel Feidt

GÉNIE ÉNERGÉTIQUEDu dimensionnement des composants au pilotage des systèmes

© Dunod, Paris, 2014ISBN 978-2-10-070545-0

Illustration de couverture : © JustContributor – Fotolia.com

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Table des matières

AVANT-PROPOS XI

PARTIE 1INTRODUCTION À L’ÉNERGÉTIQUE

CHAPITRE 1 • LE CONTEXTE ÉNERGÉTIQUE 3

1.1 Définition de l’énergétique 3

1.2 État des lieux de la situation énergétique 3

1.3 Principaux usages de l’énergie 7

1.4 Développement durable 9

CHAPITRE 2 • LES PERSPECTIVES ÉNERGÉTIQUES 13

2.1 Une abondante littérature 13

2.2 Évolution probable de la demande et de l’offre 13

2.3 Les orientations technologiques 16

2.4 Conclusions 22

CHAPITRE 3 • L’ÉNERGIE 25

3.1 Les formes de l’énergie 25

3.2 La conversion d’énergie 29

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VI Table des matières

3.3 Transfert d’énergie 33

3.4 Stockage et transport d’énergie 35

3.5 Retour sur les usages de l’énergie 37

3.6 Conclusions 38

PARTIE 2LES OUTILS DE L’ÉNERGÉTIQUE

CHAPITRE 4 • LES BASES THERMODYNAMIQUESÞ: LA THERMOSTATIQUE 43

4.1 Introduction 43

4.2 Notions essentielles de thermostatique 45

4.3 Conclusion 69

CHAPITRE 5 • À LA RENCONTRE DE LA MÉCANIQUE DES FLUIDES ET DE LA THERMOCINÉTIQUEÞ: LE PRINCIPE DE CONSERVATION ÉTENDU 71

5.1 Introductionþ: extension de la notion de transformation thermodynamique 71

5.2 Conservation de la matière 73

5.3 Conservation de quantités mécaniques 81

5.4 Conservation de l’énergie 84

5.5 Conclusion 90

CHAPITRE 6 • DONNÉES THERMOPHYSIQUES 92

6.1 Retour sur la thermodynamique analytique 92

6.2 Fonctions d’état des fluides réels 95

6.3 Les données thermodynamiques 98

6.4 Disponibilités des données thermophysiques 118

6.5 Quelques exemples de données pour les corps courants 126

6.6 Conclusion 136

CHAPITRE 7 • DÉGRADATIONS D’ÉNERGIEÞ– PRINCIPE D’ÉVOLUTION 137

7.1 Introduction 137

7.2 Équilibre et réversibilité 138

7.3 Transformation réelle et irréversibilité 140

7.4 Efficacité d’une machine ou d’un procédé 147

7.5 Bilans entropiques et exergétiques 152

7.6 Conclusions 156

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CHAPITRE 8 • THERMODYNAMIQUE DES PHÉNOMÈNES IRRÉVERSIBLES LINÉARISÉE 158


8.2 Les irréversibilités et le flux de création d’entropie 158

8.3 Relations flux-force et entropie créée 166

8.4 Expression des flux en fonction des forces – approximation linéaire 169

8.5 États stationnaires de non-équilibre 172

8.6 Conclusion 176

CHAPITRE 9 • ÉCONOMIE ET ENVIRONNEMENT 178

9.1 Introductionþ: l’analyse de projet 178

9.2 Les bases de l’analyse économique 182

9.3 Thermoéconomie et prolongements 193

9.4 Études de cas sur l’optimisation thermoéconomique 215

CHAPITRE 10 • MODÈLES ET SIMULATION 218


10.2 Modélisation 221

10.3 Simulation de systèmes et procédés 250

10.4 Quelques logiciels de simulation 255

CHAPITRE 11 • THÉORIE DE LA VALEUR ET OPTIMISATION 260

11.1 De la simulation à l’optimisation 260

11.2 Théorie de la valeurþ; critère d’optimisation 265

11.3 L’optimisation 283

PARTIE 3LES APPLICATIONS DE L’ÉNERGÉTIQUE

CHAPITRE 12 • ISOLATION – CONDUCTION 331


12.2 Les bases du modèle de conduction thermique 334

12.3 Les mécanismes de la conductionþ: notions et conséquences 351

12.4 Des applications de la conduction 359

12.5 Étude de cas sur régime dynamique stationnaire d’un barreau en fission 371

12.6 Études de cas sur l’isolation thermique 373

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VIII Table des matières

CHAPITRE 13 • TRANSFERTS CONVECTIFS – ÉCHANGEURS DE CHALEUR 381

13.1 Introduction aux transferts couplés (chaleur-matière) 381

13.2 Convection et transferts 382

13.3 Échangeurs de chaleur 412

13.4 Échangeurs de chaleur latente 428

13.5 Optimisation d’échangeurs de chaleur 450

13.6 Études de cas sur les échangeurs de chaleur 465

13.7 Conclusion générale 469

CHAPITRE 14 • TRANSFERTS DE MATIÈRE (ET MACHINES) 472

14.1 Mécanique des fluides et transfert de matière 472

14.2 Turbomachines 480

14.3 Compression-détente 514

14.4 Physique du vide 527

14.5 Étude de cas sur l’optimisation d’un tube de Ranque 545

14.6 Conclusion 551

CHAPITRE 15 • MACHINES À CYCLES INVERSES 553

15.1 De la production de froid à la revalorisation de la chaleur 553

15.2 Les machines à compression mécanique de vapeur 567

15.3 Les machines thermiques 601

15.4 Autres machines 610

15.5 Très basses températures (TBT), la cryogénie 616

15.6 Conclusions 634

CHAPITRE 16 • COMBUSTION ET MOTEURS À COMBUSTION 637

16.1 Combustion et combustibles 637

16.2 Chaudières et fours 663

16.3 Moteurs à combustion interne alternatifs 668

16.4 Autres moteurs 696

CHAPITRE 17 • LA VAPEUR D’EAU 721


17.2 Production et utilisation de la vapeur d’eau 721

17.3 L’air humide 742

17.4 Études de cas sur la vapeur d’eau et l’air humide 760

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CHAPITRE 18 • CONVERSION ET STOCKAGE D’ÉNERGIE 768


18.2 Énergie nucléaire 769

18.3 L’énergie solaire thermique 809

18.4 Autres conversions d’énergie 832

18.5 Stockage d’énergie 851

18.6 Conclusion 860

CHAPITRE 19 • L’INTÉGRATION DE SYSTÈMES ET PROCÉDÉS 861


19.2 La cogénération 862

19.3 Intégration des systèmes et procédés énergétiques 872

19.4 Intégration et environnement 888

19.5 Conclusion 897

ANNEXE

ANNEXE 1 • MÉCANIQUE GÉNÉRALE 899

A.I.1 Introduction 899

A.I.2 Cinématique du solide 899

A.I.3 Cinétique 901

ANNEXE 2 • MATHÉMATIQUE –ÞTRANSFORMATION DE LEGENDRE 903

A.II.1 Expression des équations de Navier-Stokes en systèmes de coordonnées cartésien, cylindrique, sphérique 903

A.II.2 Facteur intégrant 905

A.II.3 Transformation de Legendre 908

ANNEXE 3 • MÉCANIQUE DES FLUIDES 911

ANNEXE 4 • DONNÉES THERMOPHYSIQUES 913

INDEX 923

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Avant-propos

Le présent ouvrage a pour objectif d’être une référence dans le domaine de l’énergé-tique, qui constitue un domaine clé pour l’avenir du monde. Cela se manifeste nonseulement dans les diverses crises que nous avons connues durant les trentedernières années, mais aussi par la contrainte de protection de l’environnement deplus en plus forte.

L’approche proposée s’appuie avant tout sur la physique (thermodynamique) etles sciences pour l’ingénieurþ; toutefois les aspects scientifiques et techniques sontprolongés par des aspects technologiques et surtout économiques, que l’ingénieur nepeut ignorer. L’écoconception et le développement durable sont abordés.

D’un point de vue fondamental, un prolongement des connaissances actuellesde thermodynamique vers une «þthermodynamique optimale généraliséeþ» estabordéþ; cette conjecture suppose une relation forte entre le principe d’évolution(second principe de la thermodynamique), et l’optimisation adaptative rencontréedans la Nature qui nous entoure, et que l’ingénieur cherche à reproduire dans sesréalisations.

L’ouvrage comporte trois parties. La première partie situe la problématique del’énergie, son passé, ses perspectives et les concepts essentiels. La deuxième partieest centrée sur les outils de l’énergétiqueþ; la thermodynamique, pluridisciplinairepar essence, y occupe une place centrale. Les couplages avec d’autres sciences(mécanique, chimie) y sont mis en exergue (toute forme d’énergie avec la chaleurþ:couplage thermoénergétique) mais plus particulièrement, vu son importance, lecouplage thermomécanique. L’outil mathématique d’optimisation est largementdéveloppé aussi, puisqu’il permet d’aller de l’optimisation de conception à lagestion de systèmes instationnaires. La troisième partie traite de l’ensemble des

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XII Avant-propos

applications de l’énergétiqueþ; elle sera utile aux praticiens, ingénieurs et techniciensdu domaine de l’énergie-environnement.

Sont privilégiésþ:

– l’aspect méthodologique en insistant sur les modélisations globales ou filairespour les systèmes thermomécaniques (les extensions 3 D et aux autres systèmessont sans difficulté de principe)þ;

– l’approche thermodynamique en dimensions finies, chère à l’auteur, montrantl’importance des échelles spatiales et temporelles entre autresþ; l’analyse entro-pique ou exergétique sont développées.

De nombreux exemples sont relatifs aux échangeurs de chaleur dans les systèmeset procédés énergétiques, tout simplement parce que la thématique optimisationd’échangeurs en système est celle des travaux effectués dans le groupe de recherche,dont l’auteur est responsable.

Le public étudiant qui reçoit les enseignements correspondants est largeþ: il va dela troisième année d’Université (L3) à la cinquième année (M2)þ; les formationscorrespondantes sont tant professionnalisantes qu’orientées vers la recherche. Lelivre résulte de l’expérience de l’auteur sur le site de Nancy (IUT, faculté dessciences, écoles d’ingénieurs) mais aussi hors de France (Belgique, Espagne,Roumanie, États-Unis), et lors de contacts industriels nombreux.

Sans les nombreux contacts de l’auteur, ce livre n’aurait pas cette ampleur. Quetous ceux qui s’y reconnaîtront un peu en soient remerciésþ; l’appartenance auCNRS (Programme Énergie), à la SFT (Société Française des Thermiciens), maisaussi à l’IIF (Institut International du Froid, section E2) ou a des réseaux européensdont le réseau EURECO (ADEME), ont aussi grandement contribué à cet enrichis-sement. Mes remerciements vont aussi à l’éditeur pour sa confiance et sa patience, àM.þSchwartz pour son travail de transcription du manuscrit.

Malgré tout le soin apporté à cet ouvrage, il subsiste encore des imperfections deforme et de fond. L’auteur est reconnaissant par avance aux lecteurs, des remarqueset suggestions qui ne manqueront pas de venir à son attention.

Sur la période de gestation de ce livre, une personne qui m’est chère est disparue,mais il lui est dédié car, sans elle, il ne serait pas. À ma mère.

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PARTIE 1

INTRODUCTION À L’ÉNERGÉTIQUE

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Chapitre 1

Le contexte énergétique

1.1 DÉFINITION DE L’ÉNERGÉTIQUE

D’après la définition du Petit Robert, l’énergétique est la science traitant des diversesmanifestations de l’énergie.

Ce nom, qui peut être aussi un adjectif, n’est pas très connu du public, du fait desa connotation théorique. Si l’adjectif l’est davantage (aliments énergétiques, parexemple), le mot énergie, lui, est très connu, vu l’usage quotidien que tout un chacunen fait. Ce mot d’origine grecque signifie «þforce en actionþ». Nous y reviendronsdans ce livre et montrerons les relations fortes existant entre énergie, environnementet économie, mais aussi d’autres relations plus scientifiques avec entropie et énergie.

Pour paraphraser un livre récemment paru (Arthus-Bertrand Y.), nous disposonsd’environ 930 pages pour réfléchir à la problématique énergétique actuelle, sachantque l’énergie est, avec l’eau et la sécurité, un des trois problèmes majeurs dumoment. On rappellera à cette occasion la notion de développement durable, tellequ’elle est donnée dans le rapport de G.H. Brundtland, qui a défini cette notion en1987þ: «þrépondre aux besoins du présent sans compromettre (ou au minimum main-tenir) la capacité des générations futures de répondre aux leursþ».

1.2 ÉTAT DES LIEUX DE LA SITUATION ÉNERGÉTIQUE

1.2.1 Quelques remarques générales

La population mondiale était de 2,5þmilliards d’habitants en 1950 et de 6,2þmilliards en2002. L’estimation pour 2050 est dans une fourchette de 8 à 9þmilliards (environ 50þ%de plus qu’en 2000). Malgré le ralentissement, cette croissance génère des besoins.


4 Partie 1 • Introduction à l’énergétique

Les sources d’énergie dans le monde sont actuellement le pétrole (34,9þ%), lecharbon (23,5þ%), le gaz (21,1þ%), le nucléaire (6,8þ%), puis les énergies renouvela-bles (13,8þ%, dont 10,7þ% pour la biomasse)þ: la dépendance aux énergies fossiles,donc épuisables, est flagrante.

À cela s’ajoute un couplage avec l’évolution de l’environnement qui représenteun enjeu mondial, du fait des changements climatiques annoncés. Le couplage entrele réchauffement planétaire, le peuplement et les émissions de gaz à effet de serren’est un secret pour personne. Même si selon les scénarios l’augmentation du CO2atmosphérique peut passer de 370þppm (partie par million) aujourd’hui à 550þppm,voire 1þ100þppm en 2100, cela se traduira par un réchauffement atmosphériquedeþ+þ2 àþ+þ6þ°C à la même date. Cela ne sera pas sans conséquence, dont un boule-versement de la biodiversité.

1.2.2 Quelques chiffres sur la situation énergétique actuelle

a) Importance reconnue de la place de l’énergie

Un débat national sur les énergies a eu lieu en France au premier semestre 2003(MEFIþ1). Le document correspondant, à l’initiative du Ministère de l’économie, desfinances et de l’industrie centrait le débat sur les énergies en relation avec l’environ-nement, la qualité de vie, le développement durable.

Ce débat a été relayé par un bilan publié dans les Cahiers de l’industrie (Industries)þ;des contacts utiles figurent dans le même document (p.þ21). Le débat se poursuit depuis.

Parmi les publications du Ministère de l’économie, des finances et de l’industrie,on notera l’édition 2004 des données et chiffres clés sur les bilans de l’énergie enFrance (MEFI 2), très détailléeþ; les chiffres en bref figurent dans la référence (MEFI3). Des compléments d’information peuvent être obtenus sur le site www.indus-trie.gouv.fr/industrie. Enfin, la Direction générale de l’énergie et des matièrespremières (DGEMP) édite une lettre d’information trimestrielle gratuite.

b) Une unité hors Système international

La «þtepþ», tonne équivalent pétrole, est l’unité couramment utilisée dans les docu-ments statistiques.

On note que cette définition manque de rigueur scientifique, si elle est commoded’usageþ: l’arbitraire provient essentiellement de la qualité du combustible.

– 1 tep est équivalent à (≈) 11þ630þkWh (unité hors système)þ;– 1 Mtep représente 1þmillion de tepþ;– 1 tonne de charbonþ≈þ0,6 tepþ;– 1 tonne de boisþ≈þ0,3 tep.

Pour les unités du Système international, on se reportera à l’annexe en fin de chapitre.

Définitionþ: la tep est la quantité de combustible pétrole qui fournit la mêmequantité de chaleur par combustion.


Chapitre 1 Le contexte énergétique 5©

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c) Quelques chiffres dans le monde, en Europe, en France

Le tableauþ1.1 (DGEMP) rend compte des données de 2002. Y figurent la popula-tion, la consommation totale d’énergie primaire, d’électricité, de pétrole dans lestransports et les émissions de CO2.

La lecture de ce tableau est complétée par le tableauþ1.2. Il apparaît alors desspécificités flagrantes indiquées ci-aprèsþ:

– l’énergie primaire dominante dans le monde, ainsi qu’aux États-Unis et en Europeest le pétroleþ;

– la France utilise majoritairement l’énergie nucléaireþ;– la Russie utilise majoritairement le gaz naturelþ;– la Chine utilise majoritairement le charbon.

Les situations sont donc très diversesþ: les 29 pays de l’OCDE (Organisation decoopération et de développement économique) consomment 5þ500 Mtep en énergieprimaire, alors que le reste du monde en utilise 4þ600. Les consommations par habi-tant et par an sont très disparatesþ:

En France, en 1973, 75þ% de l’énergie était importéeþ; en 2001, ce pourcentage esttombé à 50þ% (voir tableauþ1.1).

La production d’électricité est essentiellement assurée par EDF, malgré la libéra-lisation récente du marché (EDF–GDF, et site www.edf.fr). La production se répartitcomme indiqué ci-dessousþ:

– électricité nucléaire 85,7þ%– électricité hydraulique 9,3þ%– charbon 3,3þ%– fioul 1,3þ%– gaz 0,3þ%– renouvelable biomasse 0,1þ%

L’électricité achetée se répartit de façon suivanteþ:

– thermique 65,4þ%, dont 43,4þ% gaz21,9þ% charbon0,1þ% fioul

– renouvelable 28,4þ%, dont 24,3þ% hydraulique2,6þ% biomasse1,1þ% éolien0,4þ% autres

– nucléaire 0,2þ%Il reste 6þ% non identifiés.

États-Unis 8,1 tep Chine 0,9 tep

France 4,3 tep Afrique 0,6 tep

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1.3 PRINCIPAUX USAGES DE L’ÉNERGIE

1.3.1 Trois usages essentiels

L’énergie est utilisée pour trois usages principauxþ:

– dans l’habitatþ;– dans les transportsþ;– dans l’industrie.

Dans le cas particulier de la France, des efforts d’utilisation rationnelle del’énergie ont été faits depuis 1973, sous l’impulsion coordonnée de ce qui estdevenue l’ADEME (Agence de l’environnement et maîtrise de l’énergie).

Ainsi, dans le domaine de l’habitat, les normes de construction, isolation, ventila-tion ont fortement évoluées. La consommation dans l’habitat représente environ 1/3de la facture énergétique.

Les transports, malgré des progrès, ont vu par contre leur part passer de 19,7þ% en1973, à 31,8þ% en 2001. On peut noter à cette occasion la hiérarchie des transportsþ:

– automobileþ: 4,5þ;– avionþ: 4,2þ;– autobusþ; 2,1þ;– train, RERþ: 1,5þ;– TGVþ: référence.

Remarque : On peut se poser la question de ce même coefficient pour le véloou la marche à pied.

Dans l’industrie, un effort conséquent d’économie a déjà été accompli.

TABLEAUÞ1.2 CONSOMMATION EN ÉNERGIE PRIMAIRE (2002)

% France UE RussieÉtats-Unis

Chine Monde

Charbon 5 18 17 24 57 23

Pétrole 34 38 21 40 20 36

Gaz naturel 14 23 53 23 3 21

Électricité nucléaire 41 15 6 9 1 7

Électricité hydraulique 2 2 2 1 2 2

Autres énergies (renouvelables) 5 4 1 3 17 11

TOTAL Mtep 266 1þ692 618 2þ290 1þ245 10þ231



1.3.2 Conséquences de ces usages

a) Les gaz à effet de serre (GES)

Au-delà des usages de l’énergie, la prise de conscience du réchauffement planétaire(1967) a abouti récemment (1997) au protocole de Kyoto, qui vient d’entrer envigueur en 2005, pour échéance en 2012. On rappellera à cette occasion que l’effetde serre a été découvert en 1827 par Joseph Fourier et que Svante Arrhenius, en1895, a établi le lien entre la hausse de concentration en gaz carbonique (CO2)atmosphérique et l’effet de serre correspondant. En fait, d’autres gaz participent à cemême effetþ: vapeur d’eau, méthane (CH4), oxyde d’azote (NOx) principalement.

Depuis 1850 (début de l’ère industrielle), la concentration en CO2 a augmenté de30þ%, celle de CH4 a été multipliée par 2.

b) Changement climatique ou choc climatique

Sans gaz à effet de serre, la température atmosphérique serait de –þ15þ°C. La tempé-rature ambiante a été «þstableþ» sur une période de 10þ000þans environ, telle que nousla connaissons. Puis sont apparus récemment des perturbations (inondations, séche-resse, ouragans, fonte de glace, trou dans la couche d’ozone). Autant d’alertes quivont jusqu’à la disparition possible du Gulf Stream.

Si cela parait excessif, il n’en reste pas moins que la durée de vie des GES estd’environ 100þans, pour une diffusion atmosphérique de quelques moisþ: le problèmeest donc un problème mondial, malgré et avec ses disparités.

À titre d’exemple, les émissions en kilogramme de CO2 par habitant et par an en2000 étaient deþ:

une des plus faibles émission mondiale s’établissant à 411.Par rapport aux diverses énergies standard les émissions de CO2 en g/kWh sont

les suivantesþ:

Ces chiffres sont encore en discussionþ; ils représentent des ordres de grandeur.

Remarque : Le chiffre donné pour le gaz est relatif à une centrale à cycle

combiné. Celui sur la biomasse peut s’annuler en cas de replantation.

Selon une récente information, le chiffre de l’hydraulique pourrait être plus

élevé, vu ses conséquences sur l’environnement en début d’exploitation.

États-Unis 6þ718 Mexique 1þ000

Allemagne 3þ292 France 2þ545

charbon 800-1þ050 hydraulique 4

gaz 430 photovoltaïque 60-450

biomasse 1þ500 éolien 3-22

nucléaire 6



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1.4 DÉVELOPPEMENT DURABLE

1.4.1 La contrainte environnementale

Comme on vient de le voir, la problématique actuelle liée aux usages d’énergie estde satisfaire aux besoins, sans risque pour la santé, en préservant les ressources natu-relles et en protégeant l’environnement.

La tendance actuelle est aux Écobilans ou à l’analyse de cycle de vie (ACV)þ; laprise en compte de coûts environnementaux et sociaux se fait plus pressante.

La prise en considération de nombreux polluants est de plus en plus fréquenteþ:fluides frigorigènes (chlore), oxyde de soufre (SO2), particules, déchets nucléaires,métaux lourds, composés organiques volatils (COV).

La pollution sonore (avions), thermique (eau), voir olfactive apparaissent aussi.

1.4.2 Projet ou rupture de civilisation

À l’augmentation constante des flux, dont les flux de matière et d’énergie, qui viseessentiellement le court terme par l’intermédiaire d’une richesse liée à la quantité (lethermodynamicien dirait l’extensité), l’alternative peut être de privilégier la durée etla qualité des services rendus (le thermodynamicien considère alors le temps etl’intensité).

L’énergétique et la thermodynamique sont des outils permettant l’analyse desprogrès «þtechniquesþ»þ: ceux-ci sont-ils toujours liés à une course à la vitesse ou à lapuissanceþ?

Le présent livre se propose d’aider à cette réflexion sous forme au moins scienti-fique, sans pour autant négliger les autres aspects.

BIBLIOGRAPHIE

ARTHUS-BERTRAND Y., 365 jours pour réfléchir à notre terre. Paris, Éditions de la Martinière,2004.

DGEMP, Énergies et matières premières, Lettre n°þ25, décembreþ2004.

EDF – GDF, Lettre d’information, novembreþ2004, avrilþ2005.

MEFI 1, Ministère de l’économie, des finances et de l’industrie, Énergie, Comprendre pourchoisir. www.debat-energie.gouv.fr, 2003.

Industries, Bilan – Pratique, n°þ85, p.þ19 etþ21, avrilþ2003.

MEFI 2, Ministère de l’économie, des finances et de l’industrie, Les bilans de l’énergie1970–2003, données et chiffres clés, Paris, Éditions de l’Industrie, 2004.

MEFI 3, Ministère de l’économie, des finances et de l’Industrie, L’énergie en France, chiffresclés et repères, 2004.

Science et Vie, «þEffet de serre, Kyoto enfin sur les railsþ», févrierþ2005, p.þ86-91.



DÉFINITION DES UNITÉS DU SYSTÈME INTERNATIONAL

Unités de base

Le Système international d’unités est fondé sur les sept unités suivantes, appeléesunité de baseþ:

Unités dérivées

Les unités dérivées sont des unités qui sont exprimées algébriquement en fonctiondes unités de base. Certaines d’entre elles portent des noms spéciauxþ:

Nom Symbole Définition

mètre m Le mètre est la longueur égale à 1þ650þ763,73 longueurs d’onde, dans le vide, du rayonnement correspondant à la transition entre les niveau 2p10 et 5d5 de l’atome de krypton-86.

kilogramme kg Le kilogramme est l’unité de masseþ; il est égal à la masse du prototype international du kilogramme.

seconde s La seconde est la durée de 9þ192þ631þ770 périodes du rayonnement correspondant à la transition entre deux niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de césium-133.

ampère A L’ampère est le courant électrique constant qui, maintenu dans deux conducteurs parallèles, rectilignes, de longueur infinie, de section circulaire négligeable et placés à une distance de 1þmètre l’un de l’autre dans le vide, produirait entre ces conducteurs une force égale à 2þ×þ10–þ7 newton par mètre de longueur.

kelvin K Le kelvin, unité de température thermodynamique, est la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l’eauþ; le point triple de l’eau est la température d’équilibre (0,01þ°Cþ; 273,16þK) entre la glace pure, l’eau exempte d’air et de vapeur d’eau.

mole mol La mole est la quantité de matière d’un système contenant autant d’entités élémentaires qu’il y a d’atomes dans 0,012 kilogramme de carbone-12. Lorsqu’on emploie la mole, les entités élémentaires doivent être spécifiées et peuvent être des atomes, des molécules, des ions, d’autres particules ou des groupements spécifiés de ces particules.

candela cd La candela est l’intensité lumineuse, dans une direction donnée, d’une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540þ×þ10–þ12 hertz et dont l’intensité énergétique dans cette direction est 1/683 watt par stéradian.



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radian rd Le radian est l’angle plan compris entre deux rayons qui, sur la circonférence d’un cercle, interceptent un arc de longueur égale à celle du rayon.

stéradian sr Le stéradian est l’angle solide qui, ayant son sommet au centre d’une sphère, découpe, sur la surface de cette sphère, une aire égale à celle d’un carré dont la longueur des côtés est égale au rayon de la sphère.

newton N Le newton est la force qui communique à un corps ayant une masse d’1 kilogramme, l’accélération d’1 mètre par seconde carré.

pascal Pa Le pascal est la pression (ou contrainte) produite par une force d’un newton appliquée à une surface d’1 mètre carré.

joule J Le joule est le travail effectué lorsque le point d’application d’une force d’1 newton se déplace d’une distance égale à 1 mètre dans la direction de la force.

watt W Le watt est la puissance qui donne lieu à une production d’énergie égale à 1 joule par seconde.

hertz Hz Le hertz est la fréquence d’un phénomène périodique dont la période est d’1 seconde.

coulomb C Le coulomb est la quantité d’électricité transportée en une seconde par un courant d’un ampère.

volt V Le volt est la différence de potentiel électrique entre deux points d’un conducteur parcouru par un courant constant d’1 ampère lorsque la puissance dissipée entre ces points est égale à 1 watt.

farad F Le farad est la capacité d’un condensateur électrique entre les armatures duquel apparaît une différence de potentiel d’1 volt lorsqu’il est chargé d’une quantité d’électricité égale à 1 coulomb.

henry H Le henry est l’inductance électrique d’un circuit fermé dans lequel une force électromotrice d’1þvolt est produite lorsque le courant électrique qui parcourt le circuit varie uniformément à raison d’1 ampère par seconde.

ohm Ω L’ohm est la résistance électrique qui existe entre deux points d’un conducteur lorsqu’une différence de potentiel constante d’1 volt, appliquée entre ces deux points, produit dans ce conducteur un courant d’1 ampère, le dit conducteur n’étant le siège d’aucune force électromotrice.

siemens S Le siemens est la conductance électrique qui existe entre deux points d’un conducteur lorsqu’un courant constant d’1 ampère passant dans ce conducteur produit une différence de potentiel d’1þvolt entre ces deux points, le dit conducteur n’étant le siège d’aucune force électromotrice.

weber Wb Le weber est le flux magnétique qui, traversant un circuit d’une seule spire, y produit une force électromotrice d’1 volt si on l’amène à zéro en 1þseconde, par décroissance uniforme.



NOUVELLES RÈGLES DE COMPATIBILITÉ ÉNERGÉTIQUE

Le tableau ci-après précise la notion de tep (tonne équivalent pétrole) abordée dansce chapitre. Elle est conforme aux normes actuellement en vigueur.

tesla T Le tesla est l’induction magnétique équivalent à 1þweber par mètre carré.

lumen lm Le lumen est le flux lumineux émis dans l’angle solide d’un stéradian par une source ponctuelle uniforme ayant une intensité d’1 candela.

lux lx Le lux est l’éclairement d’une surface qui reçoit, d’une manière uniformément répartie, un flux lumineux d’1 lumen par mètre carré.

becquerel Bq Le becquerel est l’activité des radionucléides égale à 1 par seconde.

gray Gy Le gray est la dose absorbée égale à 1 joule par kilogramme.

degré Celsius °C Le degré Celsius a le même ordre de grandeur que le kelvin. La température Celsius se définit comme suitþ: Tþ=þT – T0

où Tþ=þtempérature mesurée en kelvin et T0þ=þ273,15þK

sievert Sv Le sievert est l’équivalent de dose, dans le domaine de la radioprotection, égal à 1 joule par kilogramme.

EnergieUnité

physique

en gigajoules(GJ) (PCI)

en tep (PCI)

CharbonHouilleCoke de houilleAgglomérés et briquettes de ligniteLignite et produits de récupération

1þt1þt1þt1þt

26283217

26/42þ=þ0,61928/42þ=þ0,66732/42þ=þ0,76217/42þ=þ0,405

Pétrole brut et produits pétroliersPétrole brut, gazole/fioul domestique, produits à usage non énergétiqueGPLEssence moteur et carburéacteurFioul lourdCoke de pétrole

1þt

1þt1þt1þt1þt

42

46444032

1

46/42þ=þ1,09544/42þ=þ1,04840/42þ=þ0,95232/42þ=þ0,762

ÉlectricitéProduction d’origine nucléaire

Production d’origine géothermiqueAutres types de production, échanges avec l’étranger, consommation

1 MWh

1 MWh1 MWh

3,6

3,63,6

0,086/0,1þ=þ0,863,6/42þ=þ0,086

Bois 1 stère 6,17 6,17/42þ=þ0,147

Gaz naturel et industriel 1 MWh PCS 3,24 3,24/42þ=þ0,077


0 086

0 330 26

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Chapitre 2

Les perspectives énergétiques

2.1 UNE ABONDANTE LITTÉRATURE

La prospective du domaine énergétique préoccupe de nombreux organismes depuis leschocs pétroliers deþ1973 etþ1979 (craintes de pénurie et menaces sur l’environnementplanétaire). Ainsi l’AIE (Agence internationale de l’énergie) réalise des projectionsdes marchés et des prixþ; le Congrès mondial de l’énergie quant à lui se préoccupedavantage de l’évolution de la demande et des orientations technologiques.

On dispose ainsi à des horizons de 10 à 50þans de scénarios sur la base d’évolu-tions technologiques, économiques et socialesþ; un exemple de développement peutêtre trouvé dans l’ouvrage de J.-M.þMartin.

D’un point de vue plus fondamental, le CNRS, Centre national de la recherchescientifique, développe en France un programme «þÉnergieþ» (CNRS focusþ: http://www.imp.cnrs.fr/energie). Les étudiants de 5e année de cycles universitaires reçoi-vent aussi couramment des enseignements dans ce domaine (DESS-EMI, devenumastère MEPI, puis MEPP).

2.2 ÉVOLUTION PROBABLE DE LA DEMANDE ET DE L’OFFRE

2.2.1 Demande en énergie

La consultation de la littérature met en avantþ:

– une croissance de la demande en électricitéþ;– une demande soutenue dans le domaine des carburants.



La croissance de la demande en électricité est principalement liée à la démogra-phie. Dans le domaine des transports, il y a un effet modérateur lié à l’efficacitéénergétique correspondanteþ: on notera à cet effet l’existence en France duProgramme pour la recherche, le développement et l’innovation dans les transportsterrestres (Prédit), consacré aux transports (http://www.predit.prd.fr).

2.2.2 L’offre en énergie

Elle est fortement dépendante de contraintes de capacités des ressources et aussi dupotentiel d’économie d’énergie. Par ailleurs le facteur prix des sources d’énergie estimportant, même s’il est très «þfluctuantþ» et si une tendance reste difficile à discerner. Dece fait le problème à résoudre paraît plus économique ou institutionnel que technique.

a) Les tendances à moyen terme (10þans)

La suprématie des énergies fossiles perdureþ: pétrole 40þ%, charbon 30þ%, gaznaturel 20þ%, autres 10þ%.

La production d’électricité se feraþ:

– à partir du charbon 40þ%– à partir du gaz 15þ% (en augmentation)– à partir du nucléaire 15þ% (stable)– à partir de l’hydraulique 20þ% (stable)– à partir du pétrole 10þ% (en diminution)

b) Les tendances à long terme (2020-2050)

La figureþ2.1 confirme le déclin prévu du pétrole, l’importance du nucléaire et desénergies renouvelables, et sans doute, l’émergence de la biomasse tant traditionnelleque nouvelle (biocarburants par exemple).

c) Les réserves

Les estimations des réserves sont graduées en réserves prouvées, récupérables etultimes (tableauþ2.1), avec parfois des fourchettes, selon l’estimation.

TABLEAUÞ2.1 ESTIMATIONS DES RÉSERVES EN GTEP

Énergie Prouvée Récupérable Ultime

Pétrole 150 – 193(50þans)

145 – 332 1þ900

Gaz naturel 141 – 192(80þans)

258 – 279 400

Hydrates 18þ700

Charbon 606(275þans)

2þ794 3þ000

Total 1þ282 3þ804 24þ000


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Il ressort de ce tableau que l’utilisation du pétrole en augmentation dans les trans-ports a des réserves limitées à 50þans. Le GN (gaz naturel) voit sa consommationaugmenter dans l’habitat, avec des réserves estimées à 65þans en 2002. Le charbon,à l’origine de la révolution industrielle au XIXe siècle, possède la plus grande longé-vité d’usage, vu ses réserves (260þans, base 2002).

On remarque que les chiffres sont susceptibles de variations significatives selonles sources et doivent donc être relativisés. D’autre part la production d’énergie àpartir des hydrates reste actuellement controversée.

L’énergie nucléaire reste un cas atypique d’énergie fossileþ; les réserves prouvéesvarieraient entre 57 et 3þ390 Gtep, les réserves ultimes entre 410 et 21þ050 Gtepþ;donc la limite actuelle de cette énergie serait à terme de 40þans. La France qui génèrel’essentiel de son électricité à partir de cette énergie, produit 1þkg de déchet par an etpar habitant (dont 50þg à haute activité et longue durée de vie).

Les énergies renouvelables sont des énergies de type flux. De ce fait les estima-tions sont rapportées en Gtep/an. Le tableauþ2.2 donne des estimations pour lemonde.

Figureþ2.1 Évolution possible des contributions relatives des diverses sources d’énergie (sourceþ: Total)



Il y a lieu de remarquer ici que ces chiffres sont fortement dépendants des techno-logies. Pour les coûts selon les filières on pourra se reporter à MEFI3.

La France possède un bon potentiel hydraulique (en particulier sur la micro-hydraulique), de même en géothermie (expérimentation de Soultz). Le gisementéolien est le deuxième d’Europe. Il se développe actuellement en Roussillon, dans leNord, en Charente et en Vendée. La biomasse est aussi bien représentée, puisque laforêt française est la troisième forêt d’Europe (après la Suède et la Finlande), maisles 14þmillions d’hectares sont très morcelés. Par contre la biodiversité est bonne(une dizaine d’essences). On remarquera que le bois comme le pétrole n’est passeulement combustible. Les 500þ000 emplois liés au bois (essentiellement en PME)produisentþ:

– du bois d’œuvre 61,4þ%– du bois industrielþ: papier et panneau 31,1þ%þ; bois du feu 7,5þ%– et des déchets qui restent souvent à valoriser.

d) Le bouquet énergétique

De l’ensemble des considérations précédentes, il ressort la nécessité d’utiliser auxmieux toutes les formes d’énergie dont nous disposons, pour satisfaire à nos besoinsessentiels. Ce livre a pour objet de fournir des outils en ce sens, sachant que l’indus-trie de l’énergie représente aujourd’huiþ:

– 3þ% du PIB (produit intérieur brut), soit 600þ€ par habitantþ;– 26þ% des investissements industrielsþ;– 230þemplois (1þ% de la population active).

2.3 LES ORIENTATIONS TECHNOLOGIQUES

2.3.1 Nécessité des progrès technologiques

Les pages précédentes ont illustré la forte corrélation existant entre le développe-ment économique et la consommation en énergieþ; il est même apparu que les freinssemblaient davantage économiques, financiers ou institutionnels que techniques. Iln’en reste pas moins que l’on doit se poser les questions suivantesþ: les besoins éner-gétiques du futur sont-ils, sans apport d’énergie fossileþ:

– scientifiquement possiblesþ;– techniquement faisablesþ;– économiquement acceptables, voire rentablesþ;– écologiquement (et humainement) acceptablesþ?

TABLEAUÞ2.2 ÉNERGIES RENOUVELABLES EN GTEP/AN

Hydraulique Biomasse Solaire Éolien Géothermie Océan

0,9 2 100þ000 8 15 2


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L’ordre ici n’est pas quelconque et montre que les aspects scientifiques et techni-ques ont un rôle important à jouer. Cela est résumé ci-après.

2.3.2 Un pouvoir de proposition

a) Dans le monde

Des organismes internationaux synthétisent et harmonisent les diverses propositionsfaites de par le monde. À titre d’exemple l’OTAN (NATO–OTAN, site webþ: http://www.nato.int/ccms), à travers son Comité scientifique sur les défis de la sociétémoderne se préoccupeþ:

– des relations science-société-sécurité (environnement) (point de vue général)þ;

– des rendements dans l’utilisation de l’énergie (aux niveaux d’entreprises, natio-naux ou mondial)þ;

– du stockage des déchets nucléaires dans des mines de sel.

Des associations, comme l’ASME (American Society of Mechanical Engi-neers) ont une division liée a l’énergie (avec édition de numéros spéciaux de larevue Mechanical Engineering). Les États-Unis se donnent ainsi 14 challenges«þpour la survie au XXIe siècleþ» dont l’énergie nucléaire de fusion et defission.

Il existe aussi des instituts spécialisés dont nous citons deuxþ:

– ITG, International Gas Turbine Instituteþ;

– IIF-IIR, l’Institut international du froidþ;

ou des Instituts universitairesþ: ETH, l’Institut fédéral suisse de technologie, a faitparaître récemment un livre blanc (Jochem E.) sur la recherche et le développementdes technologies visant à l’efficacité énergétique.

b) En France

L’Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie (http://www.ademe.fr) sepréoccupe de la coordination de tous les acteurs du domaine que nous explorons enrelation avec l’environnement.

L’ATEE, Association technique énergie environnement, est une association plusprofessionnelle, qui édite une revue bimensuelle d’actualité sur l’énergie et l’envi-ronnement (Énergie Plus).

La Société française de thermique, SFT (http://www.sft.asso.fr), possède parailleurs un groupe thématique dédié à l’énergétique. Celui-ci est subdivisé en troissous thèmesþ:

– transferts thermiques et combustionþ;

– thermodynamiqueþ;

– conversion de l’énergie.



Des thèmes transverses leur sont par ailleurs associés, sur les piles à combustibleset les échangeurs de chaleur. Des journées d’études sont régulièrement organisées enrelation avec d’autres sociétés et groupements.

Enfin le CNRS, par l’intermédiaire du Programme énergie, se préoccupe desaspects plus amonts.

On notera pour terminer, la parution, à l’initiative de la SFT, d’un livre blanc surla recherche en thermique (SFT - Livre blanc)þ: celui-ci comporte un chapitre entiersur la thermique des systèmes.

On voit donc que des tribunes existent pour tous les acteurs, mais que le problèmele plus délicat reste sans doute la coordination des efforts et la pluridisciplinarité desdémarches. L’outil thermodynamique apparaît alors privilégié.

L’ensemble débouche pour les aspects amonts (scientifiques et techniques) quinous intéressent sur les grandes orientations résumées dans le paragraphe suivant.

2.3.3 Les grandes orientations technologiques

Celles-ci sont détaillées ci-après conformément aux trois grands postes d’usageþ:industrie, transport, habitat.

a) L’industrie

Dans ce cas il s’agit de production fortement centralisée.

Les centrales à cycles combinés vont se développer, particulièrement par l’utilisa-tion croissante de TAC, turbines à combustion (dans les transports hors aviationþ:voir l’exemple du bateau Queen Mary 2), mais aussi sous forme de miniturbines (30-400þkW)þ; des turbines à gaz à lit fluidisé valorisant la biomasse sont attendus.

De plus, des cycles à charbon avancés devraient se développer. Ces systèmes seprêtent par ailleurs à la cogénération, voire à la trigénération (DescieuxþD., FeidtM.).

La production centralisée utilisera les évolutions dans le domaine de l’énergienucléaire.

➤ Fission et réacteurs nucléaires avancés

Marcus G.H. a proposé une sélection de 6 réacteurs pour les recherches à venir. Pourtenir compte d’informations récentes au niveau européen et français, deuxprogrammes semblent retenus pour le moyen termeþ:

– réacteurs hybrides (programme européen à l’échelle de temps de 10 à 30þans)þ;

– réacteurs VHTR (Very High Temperature Reactor).

La France se propose de développer deux voies à terme de 15 à 50þansþ:

– le réacteur à gaz à surgénération (par le CEA)þ;

– le réacteur à sels fondus et thorium (par le CNRS).


Documents

GÉNIE ÉNERGÉTIQUE - Dunod · 2020. 8. 8. · VI Table des matières 3.3 Transfert d’énergie 33 3.4 Stockage et transport d’énergie 35 3.5 Retour sur les usages de l’énergie